一种基于PC全软件多轴运动控制器的实现和测试

石永华，华磊

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510000)

0 前言

多轴运动控制器的核心功能是对多个电机的联动控制。机器人控制器和机床数控系统都属于多轴联动控制器，数控系统和机器人控制器的发展历史如下:第一阶段为数值逻辑控制阶段，其特征是不具有CPU，依靠数值逻辑实现数控所需的数值计算和逻辑控制(包括第一代电子管数控系统，第二代晶体管数控系统，第三代集成电路数控系统);第二个阶段为计算机控制阶段，其特征是直接引入CPU 控制，依靠软件计算完成数控的主要功能(包括第四代是小型计算机数控系统，第五代是微型计算机数控系统，第六代是PC 数控系统)。

PC 数控系统的发展初期，形成了“NC+PC”过渡型结构，既保留传统NC 硬件结构，仅将PC 作为HMI。代表性的产品包括FANUC 的160i、180i、310i、西门子的840D 等。更加革命性的结构是全部采用PC 平台的软硬件资源，仅增加与伺服驱动及I/O设备通信所必需的现场总线接口，从而实现非常简洁的硬件体系结构。典型的产品包括西门子840DSL、海德汉TNC620、POWER AUTOMATION 公司的 PA8000 NT、国内的大连光洋的 GDS07、GDS09、GNC60、GNC61、华中数控的华中8 型、KUKA 机器人、ABB 机器人等产品［1－2］。

PC 数控系统在操作系统的选择上有以下方案:DOS 操作系统、RT-Linux、Windows +RTS、Windows+ VxWorks、Windows + 实时补丁［3－4］。例如KUKA机器人控制器采用的是Windows + VxWorks 操作系统。可以推断，基于PC 和WINDOWS 操作系统的开放式、模块化数控系统是当今数控技术发展的方向［5］。所以，作者设计了一款基于Windows +实时补丁操作系统的全软件运动控制器。

1 硬件构成

该控制器的硬件核心是通用PC，利用其通用接口完成人机交互;利用USB 键盘、触摸屏和显示器构成示教控制器;以FPGA 芯片为核心设计一款基于PCI 接口的控制扩展卡，扩展卡具有模拟量输入输出、开关量输入输出、电机驱动器控制接口。由此组成一个完整的多轴联动控制器。系统硬件构成如图1所示。

控制扩展卡的原理框图如图2所示。PCI9054 芯片完成PCI 总线的通信协议，并将PCI 总线的数据读写信号转为本地总线的数据读写时序，与FPGA 芯片相连接。FPGA 芯片内部的“PCI9054 接口模块”负责与PCI9054 芯片通信，将读写信号与内部的4 个内存区域相连接。4 个内存区域分别是:输入信息内存、输出信息内存、脉冲内存1 和脉冲内存2。FPGA内部有相关时序逻辑功能，能够对4 个内存区域进行处理，完成脉冲发送、开关量信号输入和开关量信号输出功能。

图1 硬件构成简图

图2 扩展卡原理框图

2 运行原理

PC 采用WINDOWS 操作系统，采用VC ++ 编写操作系统用户模式下的用户应用程序，DDK 编写操作系统内核模式下的设备驱动程序，设备驱动程序控制控制扩展卡，FPGA 芯片的程序采用Verilog 编写。

多轴运动控制器主要实现的功能是执行G 代码等控制器指令。G 代码的一部分功能是判断外部开关量模拟量的状态，然后根据逻辑需要输出开关量和模拟量，另外一部分功能是根据G 代码生成电机脉冲时序，从而控制多个电机的位置。

在该架构中，有两个重要的内存空间，一个是WINDOWS 系统中的X86 内存，另一个是FPGA 芯片里面的内存区域。两个内存空间的的信息存储结构如图3。输入信息区域存储外部输入信息，例如传感器，按钮等输入信息。输出信息区域存储系统产生的输出信息，例如开关量、模拟量输出等。电机脉冲区域存储驱动程序产生的电机脉冲。FPGA 以5 μs 的周期更新其内存与外部设备的信息交互;FPGA 以100 μs 的周期产生中断，使得扩展卡的驱动程序能够以100 μs 的周期循环执行，完成G 代码执行任务，完成一次X86 内存与FPGA 内存的交换更新，并保证FPGA 的电机脉冲缓冲区域被及时更新。每次中断响应，将会执行一条或几条G 代码，X86 内存的电机脉冲缓冲区域存储一条或者几条G 代码指令对应的电机脉冲序列，使得G 代码执行的延迟不超过100 μs。控制器用户程序包含:视窗界面显示模块、G 代码编辑模块。

图3 运行原理简图

值得注意的是，该控制器并不介入电机位置的半闭环或闭环控制，而是把这一任务交付给电机驱动器完成，现在的商业驱动器内部有智能算法，可以很好地完成实际工业控制需求。电机控制框图如图4所示。

图4 电机控制框图

3 响应实时性和计算耗时分析

开关量与FPGA 内存的读写交换时间。设计FPGA 的时钟频率40 MHz，存储周期为200 个时钟信号，即5 μs 可以完成FPGA 内存与外界信息的交换。FPGA 最大可以发生电机脉冲的频率小于10 MHz，足以满足工业应用。

驱动程序中断响应的时间。将控制卡的中断级别设置到设备最高级别，根据文献［6］推断:中断产生到中断响应的延迟一般为几十条指令的时间。估算中断响应延迟时间小于1 μs，文献［7］中的实验也证实了上述推断的正确性。

驱动程序定时器精度。采用DPC 定时器，定时器的响应例程运行与DISPATCH_LEVEL 的IRQL 级别［8］，不会被任何普通程序打断，但是可能会被设备中断例程抢占。DPC 例程队列一般存放实时性要求不高的中断响应例程。 DPC 定时器的时钟源实际上认识系统时钟中断推动，系统时钟中断间隔一般为10 ～15 ms［9］，所以DPC 定时精度约为10 ～15 ms 左右。

驱动程序将FPGA 内存读入到用户程序数组的时间。主要取决于PCI 接口的速度，接口速度约为133 MB/s，设计FPGA 内存大小为4 Kbyte，则FPGA 内存更新一次数据的时间是30 μs。

用户程序对输入信息的反应时间。采用定时查询法查询输入信息，反应时间约为定时器的精度，定时器的精度与线程调度周期有关。线程调度程序运行在DISPATCH_ LEVEL 级别，线程调度周期约36 ms［10］，用户程序对输入信息的反应时间约为36 ms 或更长。

CPU 对电机轨迹的计算能力。用当前工业应用最复杂的六轴机器人的运动学逆解来做测试，即已知末端点的位姿矩阵，求6 个关节角度。在CPU G530@2.4GHz 上做测试，36 s 完成了1 000 000 次求解，平均36 μs 每次求解。如果按轨迹插补间距0.1 mm，计算，该系统可以达到的最快末端移动速度是2 777 mm/s 的速度。系统的其他耗时与之相比较几乎可以忽略。

4 六轴串联机器人运动测试

上述的全软件运动控制器构架现在已经成功实现，并将其运用到串联六轴机器人的控制当中。机器人机械本体自主设计制造，额定负载58.8 kg，工作半径1 650 mm，6 个减速器为国产3 弧分精度谐波减速器，6 个松下伺服电机。

图5 机器人系统

4.1 轨迹几何精度测试

测试过程如下:机械手端夹持一只红色水笔，让机器人从点P1直线运动到点P2，速度设定10 mm/s，距离900 mm。其中通过松下PANATERM 伺服监控软件，抓取机器人行走直线时的伺服驱动器返回的相关波形曲线。水笔所画出来的直线效果如图6。第一轴驱动器的波形曲线如图7。

图6 10 mm/s 走直线

图7 第一轴驱动器的波形曲线

测试结果:

(1)从图6 得出，水笔轨迹精度1 mm。

(2)从图7 得出，控制器指令脉冲序列和理论脉冲序列有着极高的一致性。

(3)从图7 得出，电机驱动器的指令位置最大偏差3 指令单位，等效到机械位移约0.1 mm

另已知该机械本体的机械精度约为1 mm，机器人的轨迹几何精度主要影响因素有:控制器指令脉冲精度、电机驱动器响应性能和机械精度。由此得出结论:该机器人轨迹几何精度主要由机械精度决定;控制器指令脉冲有着极高的准确性;电机驱动器有着较高的响应性能。

4.2 轨迹重复精度测试

图8 “IVU”笔迹截图

测试过程如下:编写一段机器人指令程序，该程序用微小直线段书写“IVU”文字，笔迹移动速度8 mm/s。重复执行该机器人指令程序10 次，观察笔迹的重合度。测试结果如图8。

测试结果:

(1)轨迹重合度1 mm。结论分析:轨迹重合度1 mm 的偏差主要由机械精度产生的。控制器有着较好的稳定性和重复性。

5 结论

综上所述，该系统对外界信息的响应能力中，FPGA 程序响应强于中断响应，中断响应强于驱动程序定时响应，驱动程序定时响应强于用户程序响应。可以根据系统的实时性要求，将控制部分放在不同的层次程序中。该构架将实时性要求不高的工作部分放在用户程序层来完成，例如G 代码的读写保存等，将实时性要求高的部分放在驱动程序层来完成，对外界信息的响应延迟最小可以少于3 μs。G 代码执行的响应延迟不超过100 μs。末端执行器速度可以达到2 777 mm/s 以上。六轴串联机器人进行直线运动的测试结果表明，该控制器构架有良好的性能表现，可以承担对六轴串联机器人等多轴联动设备的控制。

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